Analisis Menara Talian Penghantaran Tertakluk kepada Pemuatan Angin

Menara talian penghantaran adalah penting untuk berfungsi pada grid elektrik, kerana ia menyokong talian kuasa atas yang menghantar elektrik pada jarak jauh. Mereka bentuk menara ini melibatkan memastikan ia dapat menahan pelbagai beban alam sekitar, dengan pemuatan angin menjadi salah satu yang paling kritikal. Beban angin boleh menyebabkan daya dan momen yang ketara pada struktur menara, berpotensi membawa kepada kegagalan struktur jika tidak diambil kira dengan betul. Analisis komprehensif ini akan meneroka latar belakang teori, pertimbangan reka bentuk, dan pendekatan praktikal untuk menganalisis menara talian penghantaran di bawah beban angin.

1. Pengenalan kepada Pemuatan Angin pada Menara Talian Penghantaran

Pemuatan angin pada menara talian penghantaran adalah faktor kritikal dalam reka bentuk dan analisisnya. Angin memberikan daya ke atas komponen menara, yang mesti dinilai untuk memastikan integriti struktur dan kebolehkhidmatan. Beban angin berbeza-beza mengikut kelajuan angin, arah, ketinggian menara, dan lokasi geografi, menjadikan analisis kompleks.

Menara talian penghantaran biasanya tinggi, struktur langsing yang boleh terjejas dengan ketara oleh daya angin. Menara ini mesti direka bentuk untuk menahan beban angin statik dan dinamik, memastikan kestabilan dan keselamatan sepanjang hayat perkhidmatan mereka.

2. Asas Pemuatan Angin

Memahami pemuatan angin melibatkan pemahaman prinsip asas tekanan angin dan cara ia berinteraksi dengan struktur. Tekanan angin pada struktur boleh dinyatakan sebagai:

=0.5⋅⋅2⋅⋅P=0.5⋅r⋅V2⋅Cd,⋅A

di mana:

• $P$ = Tekanan angin
• $r$ = Ketumpatan udara (biasanya 1.225 kg/m³ pada aras laut)
• $V$ = Halaju angin
• Cd, = Pekali seret
• $A$ = Luas unjuran struktur

halaju angin ($V$) adalah parameter kritikal, selalunya diukur pada ketinggian rujukan dan diselaraskan untuk ketinggian sebenar struktur menggunakan profil yang sesuai.

3. Design ANGIN

Kelajuan angin reka bentuk ditentukan berdasarkan:

• Lokasi geografi: Data kelajuan angin dari stesen cuaca, selalunya diberikan untuk tempoh pulangan yang berbeza (cth, 50 tahun, 100 tahun).
• Kekasaran rupa bumi: Kekasaran rupa bumi menjejaskan profil kelajuan angin. Kawasan terbuka dan kawasan bandar mempunyai profil yang berbeza.
• Ketinggian Di Atas Tanah: Kelajuan angin meningkat dengan ketinggian, dan variasi ini diterangkan oleh profil kelajuan angin atau kategori pendedahan.

Piawaian seperti ASCE 7 dan IEC 60826 menyediakan garis panduan untuk menentukan kelajuan angin reka bentuk berdasarkan faktor-faktor ini.

4. Ciri-ciri Aerodinamik

menara talian penghantaran, biasanya struktur kekisi, mempunyai ciri aerodinamik tertentu. Pekali seretan (Cd,) bergantung kepada bentuk dan orientasi ahli menara. Menara kekisi biasanya mempunyai pekali seret yang lebih rendah berbanding dengan struktur pepejal kerana rangka kerjanya yang terbuka, yang membolehkan angin melaluinya.

5. Beban Angin Statik dan Dinamik

Beban angin boleh dikelaskan kepada komponen statik dan dinamik:

• Beban Angin Statik: Tekanan angin keadaan mantap yang bertindak ke atas struktur.
• Beban Angin Dinamik: Disebabkan oleh tiupan angin dan gelora, membawa kepada daya turun naik.

Beban angin dinamik boleh menyebabkan getaran dalam struktur, yang mesti dianalisis dengan teliti untuk mengelakkan resonans dan keletihan.

6. Analisis Struktur

Analisis struktur a menara talian penghantaran di bawah beban angin melibatkan beberapa langkah:

6.1 Memodelkan Menara

Mencipta model 3D terperinci menara menggunakan perisian seperti SAP2000, ANSYS, atau STAAD.Pro. Model ini merangkumi semua elemen struktur, sendi, dan sambungan.

6.2 Permohonan Muatan

Penggunaan beban angin pada model melibatkan:

• Analisis Statik: Menggunakan tekanan angin yang dikira sebagai beban statik pada struktur.
• Analisis Dinamik: Memandangkan sifat turun naik beban angin, selalunya menggunakan spektrum angin atau analisis sejarah masa.

6.3 Analisis Unsur Terhingga (FEA)

Analisis Unsur Terhingga (FEA) digunakan untuk menilai taburan tekanan, ubah bentuk, dan kestabilan menara di bawah beban angin. FEA menyediakan pandangan terperinci tentang tindak balas struktur, mengenal pasti kawasan kritikal dan titik kegagalan yang berpotensi.

7. Kesan Dinamik dan Analisis Getaran

Kesan dinamik adalah penting dalam analisis beban angin, kerana getaran yang disebabkan oleh angin boleh menyebabkan keletihan dan kegagalan struktur. Ini termasuk:

• Analisis Frekuensi Semulajadi: Memastikan frekuensi semula jadi menara tidak bertepatan dengan frekuensi tiupan angin.
• Mekanisme Redaman: Memasukkan peranti redaman (cth, peredam jisim ditala) untuk mengurangkan getaran.

8. Reka Bentuk dan Saiz Ahli

Setiap anggota struktur mesti direka bentuk untuk menahan beban angin maksimum yang dijangkakan tanpa lengkok atau mengalah. Ini melibatkan:

• Harta Bahagian: Memilih bentuk dan saiz keratan rentas yang sesuai.
• Pemilihan Bahan: Menggunakan bahan dengan kekuatan dan ketahanan yang mencukupi.
• Reka Bentuk Sambungan: Memastikan sambungan boleh memindahkan beban dengan berkesan tanpa kegagalan.

9. Reka Bentuk Asas (Bersambung)

Asas a menara talian penghantaran mesti direka bentuk untuk memberikan kestabilan yang mencukupi terhadap daya dan momen yang disebabkan oleh beban angin. Pertimbangan utama termasuk:

• Sifat Tanah: Menjalankan penyiasatan geoteknik untuk menentukan kapasiti galas dan kekuatan ricih tanah.
• Jenis asas: Memilih jenis asas yang sesuai (cth, asas cetek, asas cerucuk) berdasarkan keadaan tanah dan keperluan beban.
• Rintangan Terbalik dan Gelongsor: Memastikan asas boleh menahan momen terbalik dan daya gelongsor. Ini mungkin melibatkan peningkatan kedalaman asas, menggunakan tapak yang lebih besar, atau menambah sauh.
• Pengagihan Beban: Memastikan beban diagihkan sama rata untuk mengelakkan penyelesaian berbeza.

10. Pematuhan Kod

Menara talian penghantaran mesti mematuhi kod dan piawaian nasional dan antarabangsa yang berkaitan. Piawaian ini menyediakan garis panduan untuk pengiraan beban angin, reka bentuk struktur, dan faktor keselamatan. Beberapa piawaian biasa termasuk:

• ASCE 7-22: “Beban Reka Bentuk Minimum dan Kriteria Berkaitan untuk Bangunan dan Struktur Lain” oleh Persatuan Jurutera Awam Amerika.
• IEC 60826: “Design Kriteria talian penghantaran atas” oleh Suruhanjaya Elektroteknik Antarabangsa.
• Kod Euro EN 1991-1-4: “Tindakan pada Struktur – Tindakan Angin” oleh Jawatankuasa Standardisasi Eropah.

11. Faktor Keselamatan

Faktor keselamatan digunakan untuk mengambil kira ketidakpastian dalam ramalan beban angin, sifat bahan, dan kualiti pembinaan. Faktor-faktor ini memastikan bahawa struktur kekal selamat dalam keadaan yang melampau. Faktor keselamatan biasa termasuk:

• Faktor Beban: Digunakan pada beban angin untuk menampung ketidakpastian dalam data kelajuan angin dan kesan aerodinamik.
• Faktor Bahan: Digunakan pada kekuatan bahan untuk mengambil kira kebolehubahan dalam sifat bahan dan proses pembuatan.
• Faktor Gabungan: Digunakan apabila menggabungkan pelbagai jenis beban (cth, angin, beban mati, beban hidup) untuk memastikan reka bentuk konservatif.

12. Kajian kes: Analisis Beban Angin Menara Talian Penghantaran

Untuk menggambarkan proses analisis, mari kita pertimbangkan kajian kes menara talian penghantaran yang tertakluk kepada beban angin.

12.1 Penerangan Menara

• tinggi: 50 meter
• Jenis: Menara keluli kekisi
• menara tertinggi: Kawasan pantai dengan kelajuan angin kencang
• Design ANGIN: 45 Cik (berdasarkan data kelajuan angin tempatan dan tempoh pemulangan)

12.2 Pengiraan Beban Angin

Menggunakan formula untuk tekanan angin:

=0.5⋅⋅2⋅⋅P=0.5⋅r⋅V2⋅Cd,⋅A

dengan andaian:

• Ketumpatan udara ($r$) = 1.225 kg/m³
• Pekali seret (Cd,) = 1.2 (untuk struktur kekisi)
• Kelajuan angin ($V$) = 45 Cik

Tekanan angin di bahagian atas menara ialah:

=0.5⋅1.225⋅(45)2⋅1.2P=0.5⋅1.225⋅(45)2⋅1.2
≈1484 N/m2P≈1484 N/m2

12.3 Pemodelan dan Analisis Struktur

• Permodelan: Model 3D menara dicipta menggunakan perisian unsur terhingga.
• Permohonan Muatan: Beban angin dikenakan sebagai tekanan statik pada anggota menara.
• Analisis Dinamik: Getaran yang disebabkan oleh angin dianalisis menggunakan analisis sejarah masa dan kaedah spektrum.

12.4 Keputusan dan perbincangan

• Pengagihan Tekanan: Keputusan FEA menunjukkan kepekatan tekanan tinggi pada sendi dan anggota pendakap.
• Ubah bentuk: Menara mempamerkan pesongan maksimum di bahagian atas, dalam had yang boleh diterima.
• Frekuensi Semulajadi: Analisis frekuensi semula jadi menunjukkan tiada masalah resonans dengan frekuensi tiupan angin yang dijangkakan.
• Kestabilan Asas: Reka bentuk asas disahkan untuk menahan daya terbalik dan gelongsor.

13. Pertimbangan Lanjutan

13.1 Ujian Terowong Angin

Untuk projek kritikal, ujian terowong angin boleh memberikan data yang lebih tepat tentang tekanan angin dan tingkah laku aerodinamik. Model skala menara diuji di bawah keadaan angin terkawal untuk mengukur daya dan momen.

13.2 Pengiraan dinamik bendalir (CFD)

Simulasi CFD menawarkan cerapan terperinci tentang corak aliran angin di sekitar menara. Simulasi ini membantu mengenal pasti kawasan tekanan angin tinggi dan potensi peningkatan aerodinamik.

13.3 Analisis Keletihan

Getaran yang disebabkan oleh angin berulang boleh menyebabkan kegagalan keletihan pada anggota struktur. Analisis keletihan menilai kerosakan terkumpul sepanjang hayat perkhidmatan yang dijangkakan, memastikan ketahanan dan kebolehpercayaan.

14. kesimpulan

Menganalisis menara talian penghantaran di bawah beban angin adalah tugas yang kompleks tetapi penting untuk memastikan keselamatan dan kestabilannya. Proses ini melibatkan pemahaman ciri angin, mengira beban angin, memodelkan struktur, dan menjalankan kedua-dua analisis statik dan dinamik. Pematuhan kod dan piawaian yang berkaitan, bersama dengan penerapan faktor keselamatan, memastikan reka bentuk yang konservatif dan boleh dipercayai. Teknik lanjutan seperti ujian terowong angin dan simulasi CFD memberikan cerapan tambahan untuk mengoptimumkan prestasi menara.